Анаэробная лагуна или навозная лагуна — это искусственный открытый земляной бассейн, заполненный отходами животного происхождения, который подвергается анаэробному дыханию как часть системы, предназначенной для управления и обработки отходов, образующихся в результате концентрированного кормления животных (CAFO). Анаэробные лагуны создаются из навозной жижи, которая вымывается из-под загонов для животных, а затем подается по трубам в лагуну. Иногда жижа помещается в промежуточный резервуар для хранения под или рядом с коровниками, прежде чем она будет помещена в лагуну. Попав в лагуну, навоз оседает в два слоя: твердый или иловый слой и жидкий слой. Затем навоз подвергается процессу анаэробного дыхания, в результате которого летучие органические соединения преобразуются в углекислый газ и метан . Анаэробные лагуны обычно используются для предварительной очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод и городских сточных вод. Это позволяет проводить предварительное осаждение взвешенных твердых частиц в качестве процесса предварительной очистки. [1]
Было показано, что анаэробные лагуны содержат и выделяют вещества, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье. Эти вещества выделяются двумя основными путями: выбросы газа и переполнение лагуны. Выбросы газа происходят непрерывно (хотя их количество может меняться в зависимости от сезона) и являются продуктом навозной жижи. Наиболее распространенными газами, выделяемыми лагуной, являются: аммиак , сероводород , метан и углекислый газ . Переполнение лагуны вызвано неисправными лагунами, такими как прорывы или неправильное строительство, или неблагоприятными погодными условиями, такими как повышенное количество осадков или сильный ветер. Эти переполнения выбрасывают вредные вещества в окружающую землю и воду, такие как: антибиотики, эстрогены, бактерии, пестициды, тяжелые металлы и простейшие.
В США Агентство по охране окружающей среды (EPA) отреагировало на проблемы окружающей среды и здоровья, усилив регулирование CAFO в соответствии с Законом о чистой воде . Некоторые штаты также ввели свои собственные правила. Из-за повторяющихся переполнений и связанных с этим проблем со здоровьем Северная Каролина запретила строительство новых анаэробных лагун в 1999 году. Также был сделан значительный толчок для исследования, разработки и внедрения экологически безопасных технологий , которые позволили бы более безопасно локализовать и перерабатывать отходы CAFO.
Начиная с 1950-х годов с производства птицы, а затем позднее, в 1970-х и 1980-х годах, с крупного рогатого скота и свиней, производители мяса в Соединенных Штатах обратились к CAFO как к способу более эффективного производства больших объемов мяса. [ 2] Этот переход снизил цену на мясо. [3] Однако увеличение поголовья скота привело к увеличению количества навоза. Например, в 2006 году животноводческие операции в Соединенных Штатах произвели 133 миллиона коротких тонн (121 000 000 тонн) навоза. [2] В отличие от навоза, производимого на обычной ферме, навоз CAFO не может быть использован в качестве прямого удобрения на сельскохозяйственных землях из-за его низкого качества. [ требуется ссылка ] Более того, CAFO производят большой объем навоза. Кормление 800 000 свиней может производить более 1,6 миллиона коротких тонн (1 500 000 тонн) отходов в год. [4] Необходимо каким-то образом решать проблему большого количества навоза, производимого CAFO, поскольку неправильное управление навозом может привести к повреждению воды, воздуха и почвы. [5] В результате сбор и утилизация навоза стали все более серьезной проблемой. [6]
Для управления своими отходами CAFO разработали планы очистки сельскохозяйственных сточных вод . Чтобы сэкономить на ручном труде, многие CAFO обрабатывают отходы навоза как жидкость. [7] В этой системе животные содержатся в загонах с решетчатыми полами, чтобы отходы и распыляемую воду можно было сливать из подпольных желобов и направлять по трубам в резервуары для хранения или анаэробные лагуны. [5] После попадания в лагуну цель состоит в том, чтобы обработать отходы и сделать их пригодными для разбрасывания на сельскохозяйственных полях. [7] Существует три основных типа лагун: анаэробные, которые подавляются кислородом; аэробные, которым требуется кислород; и факультативные, которые поддерживаются с кислородом или без него. [7] Аэробные лагуны обеспечивают более высокую степень очистки с меньшим выделением запаха, хотя они требуют значительного количества пространства и обслуживания. Из-за этого требования почти все лагуны для скота являются анаэробными лагунами. [7]
Анаэробные лагуны представляют собой земляные бассейны с обычной глубиной 8 футов (2,4 метра), хотя большая глубина более полезна для пищеварения, поскольку она минимизирует диффузию кислорода с поверхности. Чтобы минимизировать утечку отходов животных в грунтовые воды, новые лагуны обычно выстилаются глиной [8]. Исследования показали, что на самом деле лагуны обычно протекают со скоростью приблизительно 1 миллиметр (0,04 дюйма) в день, с глиняной подкладкой или без нее, [9] , потому что именно ил, отложенный у основания лагуны, ограничивает скорость утечки, а не глиняная подкладка или лежащая под ней родная почва. [10]
Анаэробные лагуны не подогреваются, не аэрируются и не смешиваются. Анаэробные лагуны наиболее эффективны при более высоких температурах; анаэробные бактерии неэффективны при температуре ниже 15 градусов по Цельсию (59 градусов по Фаренгейту) [11] Лагуны должны быть отделены от других сооружений на определенное расстояние, чтобы предотвратить загрязнение. Штаты регулируют это разделительное расстояние. [12] Общий размер лагуны определяется путем сложения четырех компонентов: минимальный расчетный объем, объем хранения навоза между периодами утилизации, объем разбавления и объем накопления ила между периодами удаления ила. [12]
Лагуна разделена на два отдельных слоя: ил и жидкость. Слой ила представляет собой более твердый слой, образованный стратификацией осадков из навоза. [11] Через некоторое время этот твердый слой накапливается и в конечном итоге его необходимо очистить. [8] Уровень жидкости состоит из жира, пены и других частиц. [8] Уровень жидкости Сточные воды CAFO поступают на дно лагуны, чтобы смешиваться с активной микробной массой в слое ила. Эти анаэробные условия одинаковы по всей лагуне, за исключением небольшого поверхностного уровня. [11]
Иногда на этом уровне применяется аэрация для приглушения запахов, выделяемых лагунами. Если поверхностная аэрация не применяется, образуется корка, которая будет удерживать тепло и запахи. [11] Анаэробные лагуны должны удерживать и очищать сточные воды от 20 до 150 дней. [8] За лагунами должны следовать аэробные или факультативные лагуны для обеспечения дальнейшей необходимой очистки. [11] Жидкий слой периодически сливают и используют в качестве удобрения. В некоторых случаях можно установить крышку для улавливания метана, который используется для получения энергии. [11]
Анаэробные лагуны работают через процесс, называемый анаэробным пищеварением . [5] Разложение органического вещества начинается вскоре после того, как животные испражняются. Лагуны становятся анаэробными из-за высокой биологической потребности в кислороде (БПК) фекалий, которые содержат высокий уровень растворимых твердых веществ, что приводит к более высокому БПК. [5] Анаэробные микроорганизмы преобразуют органические соединения в углекислый газ и метан посредством образования кислоты и производства метана. [11]
Уровень заболеваемости астмой у детей, живущих вблизи CAFO, постоянно повышается. [4] Было показано, что процесс анаэробного пищеварения приводит к выделению более 400 летучих соединений из лагун. [13] Наиболее распространенными из них являются: аммиак, сероводород, метан и углекислый газ. [4] [5] [14]
В Соединенных Штатах 80 процентов выбросов аммиака приходится на животноводство. [5] Лагуна может испарять до 80 процентов своего азота [13] посредством реакции: NH4+-N -> NH3 + H+. По мере повышения pH или температуры увеличивается и количество улетучившегося аммиака. [15] После того, как аммиак улетучился, он может перемещаться на расстояние до 300 миль, [13] а на более близких расстояниях он становится респираторным раздражителем. [5] Подкисление и эвтрофикация экосистемы, окружающей лагуны, могут быть вызваны длительным воздействием улетученного аммиака. [16] Этот улетученный аммиак был причастен к широкомасштабному экологическому ущербу в Европе и вызывает растущую обеспокоенность для Соединенных Штатов. [15]
При средних значениях более 30 ppb лагуны имеют высокую концентрацию сероводорода, который является очень токсичным. [13] Исследование, проведенное Агентством по контролю за загрязнением Миннесоты, показало, что концентрации сероводорода вблизи лагун превышают государственный стандарт, даже на расстоянии 4,9 миль. [13] Сероводород узнаваем по неприятному запаху тухлых яиц. Поскольку сероводород тяжелее воздуха, он имеет тенденцию задерживаться вокруг лагун даже после вентиляции. [17] Уровни сероводорода достигают максимума после перемешивания и во время удаления навоза. [5]
Метан — это газ без запаха, вкуса и цвета. Лагуны производят около 2 300 000 тонн в год, причем около 40 процентов этой массы поступает из лагун свиноферм. [18] Метан горюч при высоких температурах, а взрывы и пожары представляют собой реальную угрозу в лагунах или вблизи них. [17] Кроме того, метан — это парниковый газ. Агентство по охране окружающей среды США подсчитало, что 13 процентов всех выбросов метана приходилось на навоз скота в 1998 году, и это число выросло в последние годы. [13] В последнее время появился интерес к технологии, которая могла бы улавливать метан, производимый в лагунах, и продавать его в качестве энергии. [19]
Загрязнители, которые растворимы в воде, могут выходить из анаэробных лагун и попадать в окружающую среду через утечки из плохо построенных или плохо обслуживаемых лагун для навоза, а также во время обильных дождей или сильных ветров, что приводит к переполнению лагун. [2] Эти утечки и переливы могут загрязнять окружающие поверхностные и грунтовые воды некоторыми опасными материалами, которые содержатся в лагуне. [2] Наиболее серьезными из этих загрязнителей являются патогены, антибиотики, тяжелые металлы и гормоны. Например, стоки с ферм в Мэриленде и Северной Каролине являются основными кандидатами на Pfiesteria piscicida . Этот загрязнитель способен убивать рыбу, а также может вызывать раздражение кожи и кратковременную потерю памяти у людей [20]
Было обнаружено, что более 150 патогенов в навозных отстойниках влияют на здоровье человека. [4] Здоровые люди, которые контактируют с патогенами, обычно быстро выздоравливают. Однако люди с ослабленной иммунной системой, такие как больные раком и маленькие дети, имеют повышенный риск более тяжелого течения болезни или даже смерти. [4] Около 20 процентов населения США относятся к этой группе риска. [4] Некоторые из наиболее известных патогенов:
E. coli обнаруживается в кишечнике и фекалиях как животных, так и людей. Один особенно вирулентный штамм, Escherichia coli O157:H7 , обнаруживается в просвете кишечника крупного рогатого скота, выращиваемого в условиях CAFO. Поскольку в условиях CAFO крупный рогатый скот кормят кукурузой вместо травы, это изменяет pH просвета кишечника, делая его более благоприятным для E. coli . У крупного рогатого скота, питающегося зерном, на 80 процентов больше этого штамма E. coli , чем у крупного рогатого скота, питающегося травой. Однако количество E. coli , обнаруживаемое в просвете кишечника крупного рогатого скота, питающегося зерном, можно значительно сократить , переведя животное на траву всего за несколько дней до убоя. [ 21] Такое сокращение уменьшит присутствие патогена как в мясе, так и в отходах скота, а также уменьшит популяцию E. coli , обнаруживаемую в анаэробных лагунах.
Cryptosporidium — паразит, вызывающий диарею, рвоту, спазмы желудка и лихорадку. Он особенно проблематичен, поскольку устойчив к большинству схем обработки лагун [4] В исследовании, проведенном в Канаде, 37 процентов образцов свиного жидкого навоза содержали Cryptosporidium. [22]
Другие распространенные патогены (и их симптомы) включают: [4]
Антибиотики скармливают скоту для профилактики болезней, увеличения веса и развития, чтобы сократить время от рождения до убоя. Однако, поскольку эти антибиотики вводятся в дозах, не превышающих терапевтических, колонии бактерий могут вырабатывать устойчивость к препаратам посредством естественного отбора бактерий , устойчивых к этим антибиотикам. Эти устойчивые к антибиотикам бактерии затем выделяются и переносятся в лагуны, где они могут инфицировать людей и других животных. [13]
Ежегодно 24,6 миллиона фунтов противомикробных препаратов вводятся скоту в нетерапевтических целях. [23] Семьдесят процентов всех антибиотиков и родственных им препаратов даются животным в качестве кормовых добавок. [4] Почти половина используемых антибиотиков практически идентичны тем, которые даются людям. Существуют веские доказательства того, что использование антибиотиков в кормах для животных способствует увеличению числа устойчивых к антибиотикам микробов и снижает эффективность антибиотиков для людей. [4] Из-за опасений по поводу устойчивых к антибиотикам бактерий Американская медицинская ассоциация приняла резолюцию, в которой заявила о своем несогласии с использованием субтерапевтических уровней противомикробных препаратов в животноводстве. [13]
Гормоны роста, такие как rBST , эстроген и тестостерон, вводятся для увеличения скорости развития и мышечной массы скота. Однако только часть этих гормонов фактически усваивается животным. Остальные выводятся и попадают в лагуны. Исследования показали, что эти гормоны, если они покидают лагуну и попадают в окружающую поверхностную воду, могут изменить плодовитость и репродуктивные привычки водных животных. [4]
В одном исследовании было обнаружено, что несколько лагун и контрольных скважин из двух объектов (питомника и фермы по содержанию свиноматок) содержали высокие уровни всех трех типов эстрогена: для фермы концентрации в стоках лагун варьировались от 390 до 620 нг/л для эстрона , от 180 до 220 нг/л для эстриола и от 40 до 50 нг/л для эстрадиола . Для фермы по содержанию свиноматок концентрации в стоках лагун, дигестора и первичного лагуна варьировались от 9600 до 24900 нг/л для эстрона, от 5000 до 10400 нг/л для эстриола и от 2200 до 3000 нг/л для эстрадиола. Этинилэстрадиол не был обнаружен ни в одной из проб лагун или грунтовых вод. Концентрация естественного эстрогена в пробах грунтовых вод, как правило, была ниже 0,4 нг/л, хотя в нескольких скважинах на территории питомника были обнаружены количественно определяемые, но низкие уровни." [24]
Навоз содержит следовые элементы многих тяжелых металлов, таких как мышьяк , кадмий , медь , железо , свинец , марганец , молибден , никель и цинк . Иногда эти металлы даются животным в качестве стимуляторов роста, некоторые вводятся через пестициды, используемые для избавления скота от насекомых, а некоторые могут проходить через животных в виде непереваренной пищи. [13] Следовые элементы этих металлов и соли из навоза животных представляют опасность для здоровья человека и экосистем. [13]
В 1999 году ураган Флойд обрушился на Северную Каролину, затопив отстойники для свиных отходов, выпустив 25 миллионов галлонов навоза в Нью-Ривер и загрязнив водоснабжение. [25] Ронни Кеннеди, директор округа по охране окружающей среды, сказал, что из 310 частных колодцев, которые он проверил на загрязнение после шторма, 9 процентов, или в три раза больше среднего показателя по восточной части Северной Каролины, имели фекальные колиформные бактерии. Обычно тесты, показывающие любой намек на фекалии в питьевой воде, что является признаком того, что она может переносить болезнетворные патогены, являются причиной для немедленных действий. [26]
Анаэробные отстойники строятся как часть системы очистки сточных вод. Таким образом, соответствие требованиям и получение разрешений рассматриваются как продолжение этой операции. Поэтому отстойники для навоза регулируются на государственном и национальном уровне через CAFO, которая ими управляет. В последние годы из-за воздействия анаэробных отстойников на окружающую среду и здоровье, EPA усилило регулирование CAFO, уделив особое внимание отстойникам. [27] Северная Каролина запретила строительство новых анаэробных отстойников в 1999 году и оставила этот запрет в силе в 2007 году. [28] [29]
Были проведены некоторые исследования для разработки и оценки экономической целесообразности более экологически превосходных технологий. Пять основных альтернатив, которые были реализованы в Северной Каролине, это: система разделения твердых веществ/нитрификации-денитрификации/удаления растворимого фосфора; система термофильного анаэробного сбраживания; централизованная система компостирования; система газификации; и система сжигания в псевдоожиженном слое. [30] Эти системы оценивались на основе их способности: уменьшать воздействие отходов CAFO на поверхностные и грунтовые воды, уменьшать выбросы аммиака, уменьшать утечку патогенов, переносящих болезни, и снижать концентрацию загрязнения тяжелыми металлами. [30]
Министерство сельского хозяйства США (USDA) также оценило перспективу создания программы ограничения и торговли выбросами углекислого газа и закиси азота CAFO. Эта программа еще не реализована, однако USDA предполагает, что такая программа будет поощрять корпорации к принятию практик EST. [19]
Всестороннее исследование анаэробных свиных лагун по всей стране было начато Службой сельскохозяйственных исследований США . Целью этого исследования является изучение состава лагун и влияния анаэробных лагун на факторы окружающей среды и агрономические методы. [31]
Медиа, связанные с анаэробной лагуной на Wikimedia Commons